JP4096785B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つバッテリ（高電圧を発生する第１バッテリと低電圧を発生する第２バッテリ）を備える車両用電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特許文献１に記載された２バッテリシステムがある。
この従来技術は、エンジン始動時にスタータに電力を供給する第１バッテリと、車両に搭載される電気負荷に電力を供給する第２バッテリ、及び第１バッテリと第２バッテリを充電するための発電機等を備えている。
この構成では、第１バッテリからスタータへ電力を供給してエンジンを始動する際に、第２バッテリから電気負荷へ電力供給を行うことができる。従って、スタータへの通電初期に大電流（突入電流）が流れることによる第１バッテリの電圧降下によって電気負荷（例えばナビゲーションシステム）が瞬断することはなく、第２バッテリにより電気負荷に対する電圧保証が可能である。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第6275001 号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、エンジン始動時に第１バッテリと第２バッテリの使用目的をそれぞれ限定しており、一つのバッテリによってエンジン始動が行われるため、通常の車両用電源システムである、１バッテリシステムと比較して、エンジン始動性が向上しないという問題がある。
例えば、アイドルストップシステム（車両停止と共にエンジンを自動停止、ブレーキ解除などの信号をもって再始動を自動制御するシステム）を搭載する車両では、交差点等でエンジンを自動停止した後、青信号により再始動する際に、出来る限り短時間に再始動できることが望ましい。
【０００５】
しかし、第１バッテリのみでスタータに電力供給を行う場合、始動時間を更に短縮することは困難であり、上記の２バッテリシステム（特許文献１）をエコランシステムに適用しても大きな効果は期待できない。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、電圧保証を行った上で、エンジンの始動時間を短縮できる車両用電源システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
本発明の車両用電源システムは、エンジンに駆動されて発電する発電機と、この発電機により充電される第１バッテリと、この第１バッテリより発生電圧が低く、エンジン始動時にスタータへ電力供給する第２バッテリと、発電機もしくは第１バッテリから第２バッテリへ充電電流を供給する充電回路と、第１バッテリと第２バッテリとの間で充電回路と並列に接続され、第２バッテリによるスタータへの電力供給に加えて、第１バッテリからスタータへ電力アシストを行うアシスト回路とを備えている。
【０００７】
上記の構成によれば、エンジン始動時に第２バッテリからスタータへ電力供給が行われる時に、第１バッテリからアシスト回路を通じてスタータへ電力アシストすることが可能である。この場合、第１バッテリの方が第２バッテリより高電圧を発生するので、スタータの出力が増加して、より早期にエンジン始動が可能になる。
また、第１バッテリと第２バッテリとの発生電圧が異なり、第１バッテリの方が第２バッテリより高電圧を発生するので、両バッテリ間に設けられる充電回路を簡単な構成で実現できる。
【０００８】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した車両用電源システムにおいて、
第２バッテリによるスタータへの給電開始後、所定のタイミングで第１バッテリによる電力アシストを実行することを特徴とする。
この場合、エンジン始動初期は、発生電圧が低い第２バッテリ単独でスタータへの電力供給を行うため、発生電圧が高い第１バッテリによる電力アシストを最初から行う場合よりスタータへ与える負荷を軽減できる。
【０００９】
また、エンジン始動初期（第１バッテリによる電力アシストを実行する前）は、第１バッテリから電気負荷に電力を供給できるので、スタータへの通電初期に大電流（突入電流）が流れることによる第２バッテリの電圧降下によって電気負荷が瞬断することはなく、電気負荷に対する電圧保証が可能である。
【００１０】
（請求項３の発明）
請求項２に記載した車両用電源システムにおいて、
第１バッテリによる電力アシストを実行する所定のタイミングは、エンジン始動開始からの時間、または第２バッテリの電圧値の推移から判断されることを特徴とする。
この構成によれば、特に電流センサ等を使用する必要もなく、電力アシストを実行するタイミングを判断できるので、制御ロジックを簡素化でき、低コスト化が可能である。
【００１１】
（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
第２バッテリより第１バッテリの方が、内部抵抗が小さいことを特徴とする。第１バッテリの内部抵抗が小さいと、放電時の電圧降下が抑えられるので、より高電圧をスタータに印加することができ、アシスト効果を大きくできる。
【００１２】
（請求項５の発明）
請求項２〜４に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
第１バッテリの電圧が所定値より低い時は、第１バッテリによる電力アシストを中止することを特徴とする。
第１バッテリの充電状態が低い時は、電力アシストするメリット（エンジンの早期始動）が低いため、第１バッテリの電圧が所定値より低い時は、第１バッテリによる電力アシストを中止する。
【００１３】
（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
第１バッテリより第２バッテリの方が、低温放電特性に優れていることを特徴とする。
スタータに大電流が流れる始動前半を低温放電特性に優れる第２バッテリに担当させることで、低温時のエンジン始動も保証できる。
【００１４】
（請求項７の発明）
請求項１〜６に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
充電回路は、第２バッテリに供給される充電電力を或る時間的割合でON-OFFするON-OFF手段を有し、アシスト回路は、リレーもしくは半導体スイッチを有していることを特徴とする。
本発明は、発生電圧の高い第１バッテリから発生電圧の低い第２バッテリへ充電するので、充電回路にON-OFF手段を設けるだけの簡単な構成にできる。
また、アシスト回路の構成も、リレーもしくは半導体スイッチにより単純化できる。
【００１５】
（請求項８の発明）
請求項７に記載した車両用電源システムにおいて、
充電回路に設けられるON-OFF手段として、半導体を用いた電子式スイッチング素子（例えばMOS-FET ）を用いることができる。
【００１６】
（請求項９の発明）
請求項７に記載した車両用電源システムにおいて、
充電回路に設けられるON-OFF手段として、DC/DC コンバータを用いることができる。
【００１７】
（請求項１０の発明）
請求項９に記載した車両用電源システムは、
DC/DC コンバータは、発電機に内蔵されていることを特徴とする。
この場合、第１バッテリから発電機を経由して第２バッテリに接続される充電回路を構成できるので、本システムの回路構成を単純化できる。
【００１８】
（請求項１１の発明）
請求項１〜１０に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
第１バッテリと第２バッテリとに接続されて、両バッテリの出力電圧を制御可能な分配器を有し、この分配器を通じて、車両の基本走行や安全に係わる重要電気負荷に対する電力供給を行うことを特徴とする。
この構成によれば、重要電気負荷に対して、分配器を通じて第１バッテリと第２バッテリの何方からも供給できるので、重要電気負荷に対する電圧保証が得られ、システムとしての信頼性及び冗長性が高くなる。
【００１９】
（請求項１２の発明）
請求項１〜１１に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
車両減速時に発電機で得られた回生エネルギが第１バッテリに蓄えられることを特徴とする。
この場合、内部抵抗が小さいバッテリによって減速時の回生エネルギを蓄えることで、より効率的に回生エネルギを取り込むことができる。
【００２０】
（請求項１３の発明）
請求項１〜１２に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
運転者のキー操作によりエンジン停止した後、電気負荷に対する暗電流の供給を第２バッテリから行うことを特徴とする。
この構成では、暗電流の供給を第２バッテリが担当することで、第１バッテリの負担が軽くなるので、第１バッテリの小型化が可能になる。その結果、例えば高価なLiイオンバッテリ等を第１バッテリとして使用した場合に、コストを低く抑えることができる。
【００２１】
（請求項１４の発明）
請求項１〜１３に記載した何れかの車両用電源システムは、エンジンの停止と再始動を自動制御するエンジン自動停止／始動制御装置を搭載する車両に適用されることを特徴とする。
本発明では、エンジン始動をより早期に行うことができるので、例えば交差点等でエンジンを自動停止した後、再始動を行う際に、優れた効果を発揮する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は車両用電源システム（以下、本システムＳと呼ぶ）の全体構成図、図２はエンジン始動時の制御フローチャートである。
本システムＳは、エンジン（図示せず）に駆動されて発電する発電機１と、この発電機１により充電される第１バッテリ２、及び第１バッテリ２より発生電圧が低い第２バッテリ３とを備え、車両に搭載される一般電気負荷（一般負荷４と呼ぶ）と重要電気負荷（重要負荷５と呼ぶ）、及びスタータ６等に電力供給を行う。
【００２３】
発電機１は、例えばＩＣレギュレータ付オルタネータであり、エンジンによりベルト駆動される。この発電機１は、第１バッテリ２の充電状態が良好な時には、車両減速時のみ発電（減速回生）して第１バッテリ２を充電し、車両減速時以外（定速走行時、加速時、アイドリング時等）では発電を停止する。
【００２４】
第１バッテリ２は、例えば１６Ｖの電圧を発生することができ、第２バッテリ３より内部抵抗が小さく、放電深度や充電受入性等に優れている。
第２バッテリ３は、例えば１２Ｖの電圧を発生することができ、第１バッテリ２より低温放電特性に優れている。
第１バッテリ２と第２バッテリ３は、以下に説明する充電回路７とアシスト回路８によって接続されている。
【００２５】
充電回路７は、第１バッテリ２もしくは発電機１から第２バッテリ３へ充電電流を供給するための回路である。この充電回路７には、図示しないON-OFF手段が設けられ、そのON-OFF手段のON-OFFサイクルに応じて充電電流が制御される。
アシスト回路８は、第２バッテリ３によるスタータ６への電力供給に加えて、第１バッテリ２からスタータ６へ電力アシストを行うための回路であり、第１バッテリ２と第２バッテリ３との間で充電回路７と並列に接続されている。このアシスト回路８には、図示しないON-OFFスイッチが設けられ、このON-OFFスイッチがONすると、第１バッテリ２からスタータ６へ電力が供給される。
なお、充電回路７に設けられるON-OFF手段及びアシスト回路８に設けられるON-OFFスイッチは、図示しないＥＣＵ（電子制御装置）によって制御される。
【００２６】
車両に搭載される一般的な電気負荷（一般負荷４）は、第１バッテリ２に接続され、その第１バッテリ２から電力の供給を受ける。
車両の基本走行や安全等に係わる重要負荷５は、出力電圧を制御可能な分配器９を介して第１バッテリ２と第２バッテリ３の両方に接続され、第１バッテリ２と第２バッテリ３の何方からも電力の供給を受けることができる。
スタータ６は、第２バッテリ３に接続されると共に、前記充電回路７を介して第１バッテリ２にも接続されている。このスタータ６への電力供給は、以下に詳述する。
【００２７】
次に、本システムＳ（エンジン始動時）の制御手順を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
Step10…IGキーが投入（ON）される。
Step20…第２バッテリ３からスタータ６へ通電する。
Step30…第１バッテリ２の電圧が一定値以上か否かを判定する。この判定結果がYES の時は次のStep40へ進み、判定結果がNOの時は、Step60へジャンプして、第１バッテリ２による電力アシストを中止する。
【００２８】
Step40…第１バッテリ２による電力アシストのタイミングを判断する。具体的には、第２バッテリ３の端子間電圧が所定値まで回復したか否か、あるいはスタータ６への通電開始から一定時間経過したか否かを判定する。
第２バッテリ３の端子間電圧は、図３に示す様に、通電初期にスタータ６に大電流が流れることで一旦大きく落ち込み、その後、ピストンが上死点を乗り越す時に若干低下しながら次第に回復していく。従って、第２バッテリ３の端子間電圧を監視することで、第１バッテリ２による電力アシストのタイミングを判断できる。
【００２９】
Step50…Step40の判定結果がYES の場合、アシスト回路８を通じて第１バッテリ２よりスタータ６へ給電する（電力アシスト）。
Step60…エンジン始動を判定する。この始動判定は、例えばエンジン回転数や、上記の第２バッテリ３の端子間電圧によっても判定できる。この判定結果がYES の時は次のStep70へ進み、判定結果がNOの時はStep80へ進む。
Step70…IGキーをOFF して本制御を終了する。
Step80…IGキーをOFF した後、再度本制御を実行する。
【００３０】
（第１実施形態の効果）
本システムＳによれば、第２バッテリ３によるスタータ６への通電開始後、所定のタイミングで第１バッテリ２による電力アシストを実行することにより、スタータ６の出力が増加して、より早期にエンジン始動が可能になる。特に、エンジン自動停止／再始動装置（エコランシステム）を搭載する車両においては、エンジンを自動停止した後、再始動を行う際に、エンジン始動を短時間で行うことができるので、優れた効果を発揮する。
【００３１】
第１バッテリ２は、第２バッテリ３より内部抵抗が小さいので、図４に示す様に、放電時の電圧降下が抑えられて、より高電圧をスタータ６に印加することができ、第１バッテリ２で電力アシストする効果がより高まる。
また、エンジン始動初期は、発生電圧が低い第２バッテリ３単独でスタータ６への電力供給を行うため、発生電圧が高い第１バッテリ２による電力アシストを最初から行う場合よりスタータ６へ与える負荷を軽減できる。
【００３２】
第２バッテリ３は、第１バッテリ２より低温放電特性に優れているので、スタータ６に大電流が流れる始動前半を第２バッテリ３に担当させることで、低温時のエンジン始動性も向上する。また、第２バッテリ３は、使用目的が限定される（スタータ６と重要負荷５への電力供給）ので、バッテリ寿命を延ばすことができ、システムの信頼性も向上する。
【００３３】
本システムＳでは、内部抵抗が小さいため充電受入性に優れる第１バッテリ２に発電機１が直接接続されているので、車両減速時に発電機１で生み出される回生エネルギを効率良く第１バッテリ２に回収できる。
また、発電機１は、車両減速時のみ発電して第１バッテリ２に充電し、第１バッテリ２の充電状態が良好な時には、車両減速時以外で発電を停止しているので、エンジン負荷が軽減されて、燃費向上に寄与する。
【００３４】
更に、本システムＳでは、重要負荷５に対して、分配器９を通じて第１バッテリ２と第２バッテリ３の何方からも供給できるので、重要負荷５に必要な電圧を安定して供給することができ、システムとしての信頼性及び冗長性が高くなる。また、充電回路７とは別にアシスト回路８を設けているので、簡単なON-OFFスイッチでスタータ６の出力特性を切り替えることができ、回路構成や制御ロジックを簡素化して低コスト化を実現できる。
【００３５】
本実施形態では、充電回路７を通じて第１バッテリ２もしくは発電機１から第２バッテリ３へ充電電流が供給される例を記載したが、例えばアシスト回路８を通じて第２バッテリ３へ充電電流を流すことも可能である。
【００３６】
（第２実施形態）
図５は車両用電源システム（本システムＳ）の全体構成図、図６はエンジン始動時の制御フローチャートである。
本システムＳは、基本的なシステム構成は第１実施形態と同じであるが、第１バッテリ２と第２バッテリ３、および充電回路７、アシスト回路８、分配器９等のより具体的な一例を示すものである。
【００３７】
第１バッテリ２は、Liイオンバッテリであり、第２バッテリ３は、一般的なPbバッテリである。なお、第１バッテリ２の方が第２バッテリ３より発生電圧が高く（図５参照）、且つ内部抵抗が小さいことは第１実施形態と同じである。
充電回路７には、ON-OFF手段としてMOS-FET ７ａが設けられ、このMOS-FET ７ａが電源監視ＥＣＵ１０により、或る時間的割合でON-OFF制御される。
アシスト回路８には、ON-OFFスイッチとしてリレー８ａが設けられ、第１バッテリ２による電力アシストを実行する時に、電源監視ＥＣＵ１０によりリレー８ａがONされる。
【００３８】
分配器９は、第１バッテリ２と重要負荷５との間に設けられるDC/DC コンバータ９ａと、第２バッテリ３と重要負荷５との間に設けられるダイオード９ｂとで構成される。DC/DC コンバータ９ａは、電源監視ＥＣＵ１０により制御され、特にエンジン停止時には、第１バッテリ２から重要負荷５に暗電流が流れない様に（暗電流は第２バッテリ３が担当する）、DC/DC コンバータ９ａの作動が停止される。
【００３９】
電源監視ＥＣＵ１０は、第１バッテリ２と第２バッテリ３の端子間電圧をそれぞれ監視し、両バッテリの充電状態に応じて、上記のMOS-FET ７ａ、リレー８ａ、及びDC/DC コンバータ９ａを制御する。
この電源監視ＥＣＵ１０によるエンジン始動時の制御手順（図６にフローチャートを示す）は、第１実施形態と同じであり、その説明は省略する。
本実施形態によれば、充電回路７にMOS-FET ７ａを設けているので、このMOS-FET ７ａのON-OFF制御によって、第１バッテリ２から第２バッテリ３に供給される充電電流を容易に制御できる。
【００４０】
また、アシスト回路８は、単純なリレー８ａを設けているだけであり、このリレー８ａのON-OFF状態に応じて第１バッテリ２によるスタータ６への電力アシストを制御できるので、スタータ６の出力特性を容易に切り替えることができる。分配器９は、DC/DC コンバータ９ａとダイオード９ｂとを組み合わせて構成されているので、エンジン停止時にDC/DC コンバータ９ａをOFF することにより、エンジン停止時に第１バッテリ２から重要負荷５へ暗電流が流れることはなく、第１バッテリ２の負担を軽減できるので、高価なLiイオンバッテリを使用する第１バッテリ２の小型化（低コスト化）を実現できる。
【００４１】
（第３実施形態）
図７は車両用電源システム（本システムＳ）の全体構成図である。
本実施形態は、一般の電気負荷の中で、暗電流を必要とする一般負荷４ａと、暗電流を必要としない一般負荷４ｂに対する電力供給の一例を示すものである。暗電流を必要としない一般負荷４ｂは、第１及び第２実施形態に記載した様に、第１バッテリ２に接続されて、第１バッテリ２から給電される。
【００４２】
一方、暗電流を必要とする一般負荷４ａは、第２バッテリ３に接続されて、第２バッテリ３から暗電流の供給を受ける。
上記の様に、一般負荷４を暗電流が必要か不要かで高電圧側と低電圧側とに振り分けたことにより、エンジン停止時に第１バッテリ２を休ませることができるので、容量の小さい第１バッテリ２を使用することができ、その分、第１バッテリ２に掛かるコストを抑えることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
図８は車両用電源システム（本システムＳ）の全体構成図である。
本システムは、電力変換器（例えばDC/DC コンバータ）を内蔵する発電機１を備え、その電力変換器によって発電機１の出力電圧を可変する一例である。
この構成によれば、第１バッテリ２もしくは発電機１から電力変換器を通じて第２バッテリ３に充電電流を流すことができるので、第１〜第３実施形態に記載した充電回路７を廃止でき、システム全体の回路構成を単純化できる。
【００４４】
（変形例）
上記の第２実施形態では、充電回路７に設けられるON-OFF手段としてMOS-FET ７ａを記載したが、リレーを使用することも可能である。
同様に、アシスト回路８に設けられるON-OFFスイッチとしてリレー８ａを記載したが、リレー８ａの代わりに半導体スイッチを用いることもできる。
また、第１バッテリ２と第２バッテリ３は、それぞれLiイオンバッテリとPbバッテリの例を記載したが、これに限定されるものではない。
更に、第１実施形態では、発電機１としてオルタネータを記載したが、オルタネータの代わりに、発電機能を有するモータジェネレータを採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用電源システムの全体図である（第１実施形態）。
【図２】エンジン始動時の制御手順を示すフローチャートである（第１実施形態）。
【図３】エンジン始動時の第２バッテリの電圧波形図である。
【図４】内部抵抗が異なる第１バッテリと第２バッテリの電圧変化を示す図である。
【図５】車両用電源システムの全体図である（第２実施形態）。
【図６】エンジン始動時の制御手順を示すフローチャートである（第２実施形態）。
【図７】車両用電源システムの全体図である（第３実施形態）。
【図８】車両用電源システムの全体図である（第４実施形態）。
【符号の説明】
Ｓ 本システム（車両用電源システム）
１ 発電機
２ 第１バッテリ
３ 第２バッテリ
４ 一般負荷（電気負荷）
５ 重要負荷（電気負荷）
６ スタータ
７ 充電回路
７ａ MOS-FET （ON-OFF手段）
８ アシスト回路
８ａ リレー
９ 分配器

Claims (14)

1. エンジンに駆動されて発電する発電機と、
   この発電機により充電される第１バッテリと、
   この第１バッテリより発生電圧が低く、エンジン始動時にスタータへ電力供給する第２バッテリと、
   前記発電機もしくは前記第１バッテリから前記第２バッテリへ充電電流を供給する充電回路と、
   前記第１バッテリと前記第２バッテリとの間で前記充電回路と並列に接続され、前記第２バッテリによる前記スタータへの電力供給に加えて、前記第１バッテリから前記スタータへ電力アシストを行うアシスト回路とを備えた車両用電源システム。
2. 請求項１に記載した車両用電源システムにおいて、
   前記第２バッテリによる前記スタータへの給電開始後、所定のタイミングで前記第１バッテリによる電力アシストを実行することを特徴とする車両用電源システム。
3. 請求項２に記載した車両用電源システムにおいて、
   前記第１バッテリによる電力アシストを実行する所定のタイミングは、エンジン始動開始からの時間、または前記第２バッテリの電圧値の推移から判断されることを特徴とする車両用電源システム。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
   前記第２バッテリより前記第１バッテリの方が、内部抵抗が小さいことを特徴とする車両用電源システム。
5. 請求項２〜４に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
   前記第１バッテリの電圧が所定値より低い時は、前記第１バッテリによる電力アシストを中止することを特徴とする車両用電源システム。
6. 請求項１〜５に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
   前記第１バッテリより前記第２バッテリの方が、低温放電特性に優れていることを特徴とする車両用電源システム。
7. 請求項１〜６に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
   前記充電回路は、前記第２バッテリに供給される充電電力を或る時間的割合でON-OFFするON-OFF手段を有し、
   前記アシスト回路は、リレーもしくは半導体スイッチを有していることを特徴とする車両用電源システム。
8. 請求項７に記載した車両用電源システムにおいて、
   前記充電回路に設けられる前記ON-OFF手段は、半導体を用いた電子式スイッチング素子であることを特徴とする車両用電源システム。
9. 請求項７に記載した車両用電源システムにおいて、
   前記充電回路に設けられる前記ON-OFF手段は、DC/DC コンバータであることを特徴とする車両用電源システム。
10. 請求項９に記載した車両用電源システムは、
    前記DC/DC コンバータは、前記発電機に内蔵されていることを特徴とする車両用電源システム。
11. 請求項１〜１０に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
    前記第１バッテリと前記第２バッテリとに接続されて、両バッテリの出力電圧を制御可能な分配器を有し、この分配器を通じて、車両の基本走行や安全に係わる重要電気負荷に対する電力供給を行うことを特徴とする車両用電源システム。
12. 請求項１〜１１に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
    車両減速時に前記発電機で得られた回生エネルギが前記第１バッテリに蓄えられることを特徴とする車両用電源システム。
13. 請求項１〜１２に記載した何れかの車両用電源システムにおいて、
    運転者のキー操作によりエンジン停止した後、電気負荷に対する暗電流の供給を前記第２バッテリから行うことを特徴とする車両用電源システム。
14. 請求項１〜１３に記載した何れかの車両用電源システムは、
    エンジンの停止と再始動を自動制御するエンジン自動停止／始動制御装置を搭載する車両に適用されることを特徴とする車両用電源システム。

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